基于Zigbee的交通網絡控制系統設計

劉占宇 郭楚濱 楊宗旺 韓瑜

摘要 隨著社會經濟和汽車制造業的飛速發展，城市交通所面臨的擁堵問題倍受人們關注，針對這一現象，提出了一種基于Zigbee無線網絡的交通網絡控制系統。交通網絡控制系統主要由遠程計算機綜合管理子系統，路況信息采集子系統以及交通信號燈控制子系統，各子系統通過Zigbee無線網絡進行信息互通。系統與現代化信息技術理念相融合，實時處理路況信息，擔負起協調人、車、路三者關系的重任。具有可靠性高，體積小、低功耗，靈活配置，多節點關聯性強等優點。

【關鍵詞】智能交通 Zigbee無線網絡 交通治理

1 引言

隨著當今社會經濟的日益發展，對交通的依賴不容小視。原有的交通系統由于存在著需要布線安裝的特點。對于交通的改造維護不僅帶來了不必要的人力物力的投入，同時也存在著出現問題難以發現的弊端。在一定程度上限制了城市交通的改進與發展。本文設計了基于Zigbee的交通網絡控制系統，具有成本低、方便增加節點、高穩定性等特點。可對車輛信息就行無線傳輸，對交通信號燈進行無線控制，實現動態交通管制，擔負起解決交通擁堵問題的重任。

2 系統總體設計

交通網絡控制系統控制方案如圖1所示。

該系統由交通信號燈控制設備，檢測信號接收機，路況信息采集設備，信號控制柜，手動控制設備組成。

如圖2所示系統交通道路模擬圖。

為了準確判斷擁堵車車道的準確信息，可根據實際的道路情況為每條道路進行編號。

在每個交通路口的北、西、南、東均設有路況信息采集設備和檢測信號接收機用于采集路況信息并實時向遠程計算機綜合管理設備發出信號。其中各個方向依次編碼。

（1）如放置的地磁車輛檢測器未檢測到車輛或檢測到有車輛時，但在檢測范圍持續時間不超過5s時，由檢測信號接收機向遠程計算機綜合管理設備傳達道路狀態良好并延時一段時間。

（2）如沿路口放置的第一個地磁車輛檢測器檢測到有車輛時，并在其檢測范圍內保持時間超過5s，而其他地磁車輛檢測器未檢測到在其范圍內有車輛時，由檢測信號接收機向遠程計算機綜合管理設備傳達道路狀態良好并延時一段時間。

（3）如沿路口放置的三個地磁車輛檢測器同時檢測到有車輛時，并在其檢測范圍內保持時間超過5s，由檢測信號接收機向遠程計算機綜合管理設備傳達道路通行擁堵并延時一段時間。

3 硬件設計與實現

三個子系統協同工作，構成閉環控制網絡，動態處理交通分流問題。此外附有人工控制器和紅外接受單元來處理由于交通道路狀況突發情況不可預測事故。系統總體設計框圖如圖3所示。

3.1 控制模塊

控制核心為STM32F103xx增強型系列單片機。STM32F103xx型系列單片機內置ARM/Cortex-M3/32位RISC內核，工作頻率為72MHz，滿足控制計算量要求。如此同時豐富的I，/O端口滿足與外部紅外模塊、LCD顯示屏、Zigbee通信等模塊的需求。其中本型號的內部外設都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。可以滿足使用者的快捷方便的建立與外部空間的通訊與控制。

3.2 感測模塊

由于近年物聯網技術的發展，帶動了高靈敏度磁敏檢測原件的工業化進程。其中就包括快速發展的無線磁敏車輛檢測技術，解決了老式傳感器穩定性和壽命傷的欠缺，應用無線組網芯片，實現了射頻組網傳輸的高可靠和低功率，開放的網絡協議和標準為高靈敏度磁敏檢測原件的進步提供了不可或缺的穩定因素，對其升級換代有著不可磨滅的作用。具有基于IEEE 802.15.4規范的ZigBee無線網絡技術，具備如下優點：

（1）芯片由較強的組網能力，節點可根據需要任意添加。

（2）芯片低功耗，化學電池至少5年壽命。

（3）芯片具有簡易的ZigBee協議棧。

（4）芯片具備多級安全模式，性能可靠。

基于地球磁場在鐵磁物體通過時的變化來檢測車輛的AMR磁阻同時還具有制成的車輛探測器外不易變形，具有較高的實用性，并且安裝簡單，維護方便的優點。當車輛通過時檢測的頻率變化就可以被單片機識別，通過多個檢測器按一定的比例放置，便可以計算出汽車的通過速度。來判斷擁堵程度。

3.3 通信模塊

Zigbee是一種遠距離、低功耗、無線傳感技術，無線網絡是基于IEEE802.15.4協議的一種通訊方式。具有以下優點：

系統內自動組網，網絡容納節點多，并且任意節點可以實現互通。具有模塊退出網路重組功能。網絡結構通常包括星狀、片狀。

網關作為整個網絡的建立者和控制器，它是ZigBee網絡的核心，手動控制，檢測信號接收機，信號控制柜路由器加入ZigBee網絡，組成樹狀Zigbee控制網絡，這些設備只負責與遠程計算機綜合管理設備及其子節點之間的通信，他們相互之間不能實現互相通信。

通信模塊主芯片CC2530自帶RF內核，同時預留有控制器和無線模塊連接的接口，可以實現通過芯片接口發出特定命令對通訊事件排序。發送和接受FIFO以及大部分動態受控的模擬信號。硬件包含MAG安全加密機制、CSMA-CA算法以及地址識別等功能，可滿足系統設計要求。

4 系統軟件設計與實現

控制核心上電后首先進行初始化，其中包括是對單片機和實時鐘的設置，建立與Zigbee網絡的通信，LCD屏幕的初始化等。完畢后進入主程序循環段，每隔一段時間采集各個節點的車流量信息，通過判斷算法評估擁堵程度后向各個節點傳輸合理化交通控制信息。

程序還包括兩個外部中斷和兩個內部中斷處理程序，分別處理本機鍵盤操作、實時鐘時間更新、串口讀寫、及LED顯示刷新。而單片機的另一個定時器則以查詢的方式實現50ms延時。

5 結論

基于Zigbee的交通網絡控制系統，融合了現代信息技術，對信息進行數據處理，實時進行交通控制。經調試運行發現，系統各功能模塊運行正常，基本實現既定的工作目標。下一步將融合更多的控制模塊，并對其交通控制算法進行優化改進。

參考文獻

[1]張健，鄭春.基于ZigBee無線通信技術在智能交通控制系統中的應用研究[J].赤峰學院學報（自然科學版），2012 （09）： 45-47.

[2]崔麗珍，于淦，基于ZigBee的無線交通同步控制系統的設計與實現[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2012 （01）：83—85+115.

[3]楊志偉，熙瑩，殷宏威，岳彩祥.基于ZigBee的無線交通信號控制系統[J].科技信息，2010 （01）： 34+62.

[4]趙丙辰，劉彬.基于ZigBee的智能交通控制系統研究[J].電腦知識與技術，2008 （10）：141-142+150.

[5]崔文華.ZigBee協議棧的研究與實現[D].華東師范大學，2007.